Natur & Technik

Ernst Bauer im Labor © TU Wien
Ernst Bauer im Labor © TU Wien

APA

Neues Material verwandelt Temperaturunterschiede in Elektrizität

13.11.2019

Der deutsche Physiker Thomas Johann Seebeck (1770-1831) entdeckte 1821 den nach ihm benannten thermoelektrischen Effekt. Der ist dafür verantwortlich, dass bestimmte Stoffe Temperaturunterschiede direkt in elektrische Energie umwandeln können. Wiener Physiker berichten nun im Fachjournal "Nature" über ein Material, das mit bisher unerreichter Leistungsfähigkeit Wärme in Elektrizität verwandelt.

Ein gutes thermoelektrisches Material zeichnet sich nicht nur durch einen großen Seebeck-Effekt aus. Es muss auch zwei nur schwer miteinander vereinbare Anforderungen erfüllen: "Einerseits soll es elektrischen Strom möglichst gut leiten, andererseits soll aber Wärme möglichst schlecht transportiert werden", erklärte Ernst Bauer vom Institut für Festkörperphysik der Technischen Universität (TU) Wien in einer Aussendung.

Die Leistung eines thermoelektrischen Materials wird mit der sogenannten thermoelektrischen Gütezahl (ZT) ausgedrückt - je höher der Wert, desto besser seine thermoelektrischen Eigenschaften. Die besten Thermoelektrika kamen laut TU Wien bisher auf ZT-Werte von 2,5 bis 2,8. Die Forscher um Bauer, der seit 2013 auch das Christian Doppler-Labor für Thermoelektrizität leitet, gelang es in mehrjähriger Arbeit, ein neues Material mit einem ZT-Wert von 5 bis 6 zu entwickeln - also einer doppelt so hohen Leistungsfähigkeit als bisher.

In dem Material werden Eisen, Vanadium, Wolfram und Aluminium kombiniert. Diese Mischung wird als dünne Schicht auf Silizium aufgetragen. Dadurch ändert sich die Struktur des Materials radikal, mit der Konsequenz eines sehr geringen elektrischen Widerstands und einer geringen Wärmeleitfähigkeit - also ideale Eigenschaften eines thermoelektrischen Materials.

Beste Leistungsfähigkeit bei 100 Grad Celsius

Die beste Leistungsfähigkeit erzielt das Material bei einer Temperatur von rund 100 Grad Celsius, erklärte Bauer gegenüber der APA. Für diesen Temperaturbereich gab es zwar schon seit den 1960er Jahren Thermoelektrika basierend auf Bismuttellurid. Sie enthalten also Tellur, das sehr selten und auch giftig ist.

Den Forschern ist bewusst, dass eine so dünne Schicht keine großen Energiemengen generieren können, "aber dafür ist sie extrem kompakt und anpassungsfähig", so Bauer. Genutzt werden könnte das Material künftig etwa, um Sensoren oder kleine elektronische Anwendungen ohne aufwändige Verkabelung mit Strom zu versorgen.

Konkret haben die Wissenschafter gemeinsam mit dem Unternehmenspartner des CD-Labors, der AVL List in Graz, mit dem Material als Energiequelle neue drahtlose Messtechnik entwickelt, die etwa in Motorenprüfständen eingesetzt wird. Das Material soll dabei auf der heißen Motorenoberfläche Elektrizität liefern, um Sensoren mit Datenverarbeitung und Funkkommunikation zu betreiben, die die Messergebnisse drahtlos an einen Computer senden. Dafür wurden bereits zwei Patente eingereicht. Auch beim "Internet of Things", wo eine Vielzahl an Anwendungen, Sensoren und Geräte miteinander verknüpft sind und ihr Verhalten aufeinander abstimmen, sind solche Lösungen gefragt.

Service: http://dx.doi.org/10.1038/s41586-019-1751-9

STICHWÖRTER
Physik  | Energiequellen  | Wien  | Wissenschaft  | Naturwissenschaften  | Umwelt  | Ressourcen  |
Weitere Meldungen aus Natur & Technik
APA
Partnermeldung